基于PLC控制的多工位啤酒成品檢測裝置的設計

張憲棟

山東服裝職業學院,山東泰安271000

基于PLC控制的多工位啤酒成品檢測裝置的設計

張憲棟

山東服裝職業學院,山東泰安271000

本文提出一種用于啤酒灌裝生產線的多工位啤酒成品檢測裝置，采用PLC控制、機器視覺、光學成像、X射線成像和數字圖像處理等多學科領域技術，獲取啤酒瓶體的全方位檢測信息，識別出各類型次品情況，自動把不合格產品分離出生產線。本文主要介紹了啤酒成品檢測裝置機械傳動方案的選擇，重點闡述檢測裝置電氣控制系統中機械傳動控制單元、位置觸發控制單元和次品剔除控制單元的硬件結構設計及PLC軟件設計。

啤酒在線檢測;PLC;機器視覺

在啤酒生產過程中，由于灌裝技術和生產工藝的原因，會產生各種各樣的缺陷產品，比如成品瓶裝啤酒中可能存在的蓋磨損、液位、瓶壁霉斑、泄漏、瓶內異物、瓶壁破損等缺陷類型，給產品質量帶來嚴重隱患，隨著競爭的日益激烈，啤酒生產過程中，對產品質量的要求越來越高。為了提高產品的質量，現在主要采用人工燈檢的方式剔除成品啤酒中的次品，但這種檢測方式消耗大量的人力和物力資源，而且人的眼睛易疲勞，易出現漏檢現象，檢測速度和效率低。

針對這種人工檢測方式的不足，本文提出一種多工位的智能啤酒成品檢測裝置代替人工檢測。本設備采用機器視覺、機械傳動與控制、光學成像、X射線成像、數字圖像處理和通信等多學科領域技術，利用特定的多工位多手段成像系統，獲取啤酒瓶體的全方位檢測信息，通過工控計算機判斷瓶內是否有異物和雜質，臟酒、臟瓶、啤酒失光或渾濁，并識別出瓶蓋缺陷或泄漏、液位高低、瓶體裂紋缺陷等各類型次品情況，并自動把不合格產品分離出生產線，減少人工勞動量。

1　系統機械傳動方案選擇

1.1翻轉檢測方式

本方案共設置了6個檢測工位和3個剔除工位，如圖1所示。設備通過夾持輸送帶使瓶子倒置，一段充裕時間后，重的異物會從瓶底下沉到瓶口，此位置使用X射線技術進行檢測會比較可靠。拍瓶口照片的優勢是瓶頸基本上沒有磨損，檢測條件相對穩定，檢測需要更少的X射線能量，成像質量好，圖像處理相對容易。但本方案設備占地面積大，安裝需要改造的地方多，工作量相當大，不是很方便。

1.2直線檢測方式

本方案共設置了11個檢測工位和3個剔除工位，如圖2所示。其中，檢測工位10和11采用傳感器實現，工位1、2、4、5、6、8和9采用視覺成像檢測。檢測工位1和8主要檢測歪蓋、瓶蓋下部內壁臟污、液位、瓶頸部裂紋等不合格信息；2和9工位主要檢測瓶壁裂紋、臟污等不合格信息；5和6工位主要檢測大的異物；中間3和7工位主要檢測大玻璃、石子等密度較大異物，本工位采用兩夾持傳送的皮帶，使瓶體懸空并旋轉設定的角度，使用x射線雙光束兩次拍攝時在不同角度成像，減少視覺盲區；4工位主要檢測異形蓋；工位10為無蓋檢測；工位11采用超聲波檢測瓶裝啤酒是否泄漏。本方案的優點是占地面積小，安裝方便。通過兩種方案的比較，最終選定本方式。

圖1　翻轉檢測方式結構Fig.1 Schematic diagram of rollover detection

圖2　直線檢測方式結構Fig.2 Schematic diagram of line detection

2　電氣控制系統結構設計

電氣控制系統是啤酒成品檢測裝置的主要組成部分，本裝置電氣控制系統以PLC為核心，主要包括機械傳動控制單元、PLC位置觸發控制單元和次品剔除控制單元。電氣控制系統結構如圖3。

圖3　電氣控制系統結構圖Fig.3 Schematic diagram of electrical control system

機械傳動控制單元采用歐姆龍PLC控制兩夾持傳送皮帶伺服電動機的運行，PLC采集主傳輸鏈道編碼器1及兩夾持皮帶電機編碼器2和3數值，比較后通過變頻器控制兩夾持皮帶電機速度跟蹤主傳輸鏈道的速度，從而保證輸瓶鏈道上的瓶裝啤酒順利通過啤酒成品檢測裝置，兩夾持皮帶運行有一定速度差，使瓶子在輸送過程中旋轉相應的角度。主鏈道編碼器1與主鏈道從動輪同軸運轉，兩夾持皮帶編碼器2、3與夾持皮帶主動輪同軸運轉。

PLC位置觸發控制單元包括施耐德PLC、相機板卡和各工位光電傳感器，PLC接收各工位光電傳感器瓶子位置信號，判斷瓶子是否到達各工位位置，如果瓶子到達工位位置，PLC通過相機板卡給相機發送觸發信號，相機對瓶裝啤酒進行圖像采集，并送視覺檢測系統進行處理。視覺檢測系統對圖像分析之后，將檢測信號發送至PLC。

次品剔除控制單元采用采用施耐德PLC接收來自視覺檢測系統的檢測信號，判斷是否為不合格產品，如是不合格產品，PLC記下該瓶子位置信息并接收來自剔除定位光電傳感器的剔除定位信號，待瓶子到達剔除位置時，PLC控制剔除器動作將不合格品正確剔除。目前多數啤酒灌裝生產線在空瓶檢測裝置中次品剔除采用單段式直接擊出剔除裝置，這種結構是氣缸帶動一擊打塊擊打瓶子的中心位置，將瓶子擊打到其它鏈道，由于啤酒生產線上瓶子運行速度很快，該方式容易將瓶子擊倒，尤其是本系統涉及的成品啤酒剔除，瓶子擊倒后不僅影響生產效率，而且容易出現爆瓶現象，存在安全隱患。本系統剔除器采用手指式多段剔除器，共有16根剔除手指，分別由16個高速氣缸控制并引導其伸出或收起，剔除手指長短不一，構成剔除引導曲線，剔除手指通過控制系統將依次柔性的引導被剔除的瓶子到平行的傳輸鏈道上。三組剔除器分別剔除不同類型的不合格產品。

3　電氣控制系統軟件設計

機械傳動控制單元軟件采用歐姆龍PLC梯形圖語言編程，主要有操作面板控制程序和電機控制程序兩部分組成，操作面板控制程序主要完成操作面板上的啟動、停止、低速運行、急停和燈光報警控制。電機控制程序通過模擬量控制兩夾持皮帶電機跟隨主鏈道電機運行。計算主鏈道編碼器與電機編碼器2的差，該差值逐漸增大表明電機1速度過慢，需要手動增大電機編碼器2每秒發出脈沖最大值參數，從而增大電機1的速度，該差值逐漸減小，則手動減小電機編碼器2每秒發出脈沖最大值參數，從而減小電機1的速度。同理通過計算主鏈道編碼器1與電機編碼器3的差，調整電機2的速度。電機1和電機2運行各有一模擬量補償，只有電機模擬量輸出大于該補償值時電機才運行，并且電機的模擬量補償值與電機2的模擬量補償值要有差值，保證瓶子在夾持皮帶中運行的旋轉角度。

PLC位置觸發控制單元和次品剔除控制單元軟件采用施耐德PLC的結構化文本編程，主要有兩個循環任務，一是置工位不合格信號標志及剔除動作任務，二是置工位剔除信息表任務。置不合格信號標志及剔除動作任務優先級高于置工位剔除信息表任務。置不合格信號標志及剔除動作任務通過各工位光電判斷瓶子是否到達該工位位置，記下瓶子到達工位時的編碼器數值，PLC專家模塊接收來自相機板卡的工位不合格信號，如瓶子在該工位不合格，置該工位不合格標志為1，并將該工位瓶子不合格計數單元加1。剔除動作任務判斷瓶子是否到達剔除工位，如到達則置剔除動作信號標志為1，剔除動作時間補償，保證瓶子剔除時間，然后置剔除動作標志為零，流程圖如圖4所示。置工位剔除信息表任務當瓶子到達工位位置后，將瓶子工位編碼器值記入工位位置表中，工位剔除信息表清零，然后根據置工位不合格信號標志及剔除動作任務中瓶子在該工位不合格信號標志判斷瓶子是否為不合格瓶裝啤酒，如是則將工位剔除信息表置1，然后進入下一工位處理。

4　視覺檢測系統

視覺檢測系統通過各檢測工控機中視覺檢測軟件采集來自相機和X射線接收器的圖像信息，進行處理，并判斷是否為不合格瓶裝啤酒，如為不合格瓶裝啤酒，將不合格信息通過相機板卡發送到PLC位置觸發控制單元，由PLC位置觸發控制單元驅動剔除器動作將不合格瓶裝啤酒分離。

5　結語

本文設計了一種應用于啤酒灌裝生產線的成品啤酒在線檢測裝置，采用歐姆龍PLC進行機械運動控制，采用施耐德PLC進行位置檢測控制及次品剔除控制，采用工控計算機軟件進行圖像處理，經調試，本設備已在燕京啤酒灌裝生產線穩定運行，各項性能均基本達到設計要求。

圖4　置工位不合格信號標志及剔除動作任務流程圖Fig.4 Flow chart of the task of setting the unqualified signal station and eliminating

[1]張巍.啤酒瓶漏氣在線檢測系統的研究[D].青島:山東科技大學,2008:24-36

[2]王梁.基于機器視覺的啤酒灌裝質量檢測系統研究[D].鎮江:江蘇大學,2009:8-21

[3]鞏小東.啤酒瓶在線檢測相關技術的研究[D].青島:山東科技大學,2011:12-30

[4]苑瑋琦,薛丹.瓶裝啤酒的高速實時在線容量檢測裝置的研制[J].釀酒科技,2007,12:70-73

[5]張輝,王耀南,周博文.基于機器視覺的液體藥品異物檢測系統研究[J].儀器儀表學報,2009,30(3):549-553

[6]何成,王耀南.灌裝液體藥品質量的機器視覺檢測與識別[J].中南大學學報(自然科學版),2009,40(4):1003-1007

The Design of Beer Detection Device in Many Processes Based on PLC Control

ZHANG Xian-dong
Shandong Vocational Institute of Clothing Technology,Taian 271000,China

This paper presents a multi station finished detection device for the beer filling production line,Using PLC controlling,machine vision,optical imaging,X-ray imaging and digital image processing and other fields of technology, acquires the full range of detecting information of the beer bottle,identify the various types of defects,pick out the unqualified products automatically from the production line.This paper mainly introduces the selection of mechanical transmission scheme of the finished beer detection device,focuses on the hardware structure design and PLC software design of the mechanically-driven control unit,the position trigger control unit and the defectives picking out control unit in the electrical control system.

Beer online detection;PLC;Machine vision

TB487

A

1000-2324(2015)02-0252-04

2013-02-05

2013-03-01

張憲棟(1976-),男,山東泰安人,講師,碩士.主要研究方向為自動控制,智能儀器.E-mail:sdfzxyzxd@163.com